CN111665873B - 基于参考光的瞄准线高精度稳定方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于伺服控制技术领域，具体涉及一种基于参考光的瞄准线高精度稳定方法。该方法在现有的二级稳定方法中，增加了参考激光光束，该光束穿过光学系统，由于受到外界振动扰动及光学元件相互运动等原因，相对系统光轴发生抖动，位置敏感探测器对参考激光进行接收，测量出光学元件间相互运动所引起的瞄线偏差，从而控制快速反射镜对其进行补偿消除。本发明采用高精度的速率陀螺作为惯性基准，以参考光为辅助，通过多回路的控制网络，以实现稳瞄系统的高精度稳定，结构紧凑、成本低，解决了现有二级稳定方法中，由于外界干扰所产生的光学系统内元件相对运动无法测量及补偿的问题，在基于运动载体的光电稳定与跟踪等领域具有广泛的应用前景。

Description

基于参考光的瞄准线高精度稳定方法

技术领域

本发明属于伺服控制技术领域，具体涉及一种基于参考光的瞄准线高精度稳定方法。

背景技术

瞄准线稳定与跟踪技术目前已广泛应用于海、陆、天、空等各种载体平台，成为高分辨率探测、昼夜侦察、精确打击、光电对抗与毁伤等必不可少的技术手段。随着现代军事装备技术的飞速发展，要求光电系统具有更远的作用距离、更高的图像分辨率、更高的瞄准与跟踪精度，

目前，高性能的光电稳瞄系统大多都配备长焦距、多波段传感器，并采用组合稳定及共光路技术，因此，较传统系统相比，口径大且光学系统更为复杂。当系统工作于复杂的应用环境时，如此复杂、零件众多的光学系统中，难免会产生光学元件间的相对位移，而在长焦折返光学系统中，图像的像质对这种相对位移非常敏感，势必会造成图像的抖动或模糊。

基于快速反射镜的组合稳定方法应用广泛，《应用光学》第34卷第1期的文章《基于反射镜补偿的粗精组合稳定控制系统性能对比与分析》讨论了这种稳定方法，在整体稳定的基础上，通过快速反射镜来补偿残余误差，克服光电成像系统在运动或振动环境中的视轴线抖动，从而实现稳定清晰成像。但是，光学系统中元器件相互运动，致使光学信号随机运动所产生的图像抖动或模糊，即使采用二级稳定仍无法进行修正。

美国专利US6653611B2“optical line of sight pointing and stabilizationsystem”中介绍了一种基于惯性参考单元的瞄准线稳定方法，其中参考光源安装于惯性参考单元，与光学系统相独立。惯性参考单元作为万向架和参考光稳定的基准，系统结构复杂，实现难度大，成本高。SPIE“Comparison of wide-band inertial line of sightstabilization reference mechanizations”一文中，除上述方法，还介绍了一种捷联式稳定方式。参考光固联于光学系统平台，仅通过快调反射镜对基座和光路中扰动进行补偿。由于快调反射镜行程较小，因此补偿能力有限。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：如何提供一种基于参考光的瞄准线高精度稳定方法。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于参考光的瞄准线高精度稳定方法，所述方法包括如下步骤：

步骤1：获取光电系统当前由于外界扰动所产生的方位运动角速度ω_gx、俯仰运动角速度ω_gy；

其中，所述方位运动角速度ω_gx、俯仰运动角速度ω_gy由安装于稳定平台的陀螺测量得出；

步骤2：计算稳定平台的稳定控制指令；

方位运动角速度ω_gx输入稳定平台的控制器，通过稳定平台的控制器的传递函数G_A(s)进行转换处理，得出方位向控制指令；同理，得出俯仰向控制指令；

传递函数G_A(s)包括：比例积分控制器、超前校正网络、低通滤波器，比例控制器、积分控制器、超前校正网络、低通滤波器的参数根据传递函数和离散方程求解；

传递函数G_A(s)如下式(1)所示：

其中，K为比例积分控制器的比例系数，ω₁为比例积分控制器的转折频率；ω₂和ω₃为超前校正网络的转折频率；ω₄为低通滤波器的截止频率；

由s域到z域采用双线性变换离散方法如式(2)所示：

其中：T是离散化采样周期；

步骤3：根据上述步骤2计算出的方位向控制指令、俯仰向控制指令驱动电机运动，从而抵消稳定平台的方位运动角速度和俯仰运动角速度，从而达到光电系统的初级稳定；

步骤4：稳定平台初级稳定后，通过陀螺获取光电系统方位向稳定的残余误差信号ω_cx及俯仰向稳定的残余误差信号ω_cy；

步骤5：根据残余误差信号，对快速反射镜第一控制指令G_C1进行计算；

将陀螺测得的方位向稳定的残余误差信号ω_cx及俯仰向稳定的残余误差信号ω_cy进行积分，转换为角位置信号，同时对快速反射镜以及陀螺进行参数匹配；

获得快速反射镜第一控制指令G_C1的方位向控制指令G_C1X和俯仰向控制指令G_C1Y为：

其中，K_P、K_g分别为快速反射镜以及陀螺的标度因子；

步骤6：获取参考光束相对于光轴的运动偏差；

激光发射装置与陀螺牢固安装在一起；激光光束从物方射入光学系统，设光学零件的运动引起的光轴的方位运动角度和俯仰运动角度分别为α和β，激光经分光镜分光后射入由镜头和位置敏感探测器组成的检测模块，位置敏感探测器位于镜头的焦平面上，镜头焦距为f_psd，位置敏感探测器探测到参考光束的方位向、俯仰向位移量分别为D_x、D_y；

步骤7：根据位置敏感探测器探测到的参考光束的方位向、俯仰向位移量D_x、D_y对快速反射镜第二控制指令G_C2进行计算；

根据步骤6中描述可知D_x＝αf_psd，D_Y＝βf_psd，计算出光学元件运动引起的参考光束方位向运动量为α＝D_X/f_psd，俯仰向运动量为β＝D_Y/f_psd；则根据反射镜运动学原理，快速反射镜第二控制指令G_C2的方位向控制指令G_C2X和俯仰向控制指令G_C2Y为：

G_C2X＝-D_X/2f_psd

步骤8：根据快速反射镜第一控制指令G_C2及快速反射镜第二控制指令G_C2获得快速反射镜最终控制指令G_C2的方位向控制指令G_CX和俯仰向控制指令G_CY，并将快速反射镜最终控制指G_C2的方位向控制指令G_CX和俯仰向控制指令G_CY输入快速反射镜；其中：

驱动快速反射镜实现补偿运动，从而实现高精度稳定。

(三)有益效果

为了解决上述问题，本发明提出基于参考光的瞄准线高精度稳定方法，在传统的二级稳定基础上，对光路中元件的相对位移进行测量，然后通过快速反射镜进行补偿，从而达到高精度稳定。与传统的二级稳定技术相比，采用该技术不仅可以敏感到基座等外部扰动，还可以对光路中的误差源进行测量和补偿，从而实现更高精度的稳定。

与现有技术相比较，本发明具备如下有益效果：

(1)通过增加参考光回路，从而对光学元件相互运动所引起的瞄线运动进行测量，并通过快速反射镜进行补偿，弥补现有稳定方法的不足，进而提升了稳定精度。

(2)以陀螺作为惯性稳定基准，减少了惯性参考单元，只需在现有技术上稍加改动，更易实现，节约成本。

(3)本发明采用二级稳定配合参考光回路实现多回路融合控制，效率高、性能优。

附图说明

图1是基于参考光的瞄准线稳定方法操作流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于参考光的瞄准线高精度稳定方法，所述方法包括如下步骤：

步骤1：获取光电系统当前由于外界扰动所产生的方位运动角速度ω_gx、俯仰运动角速度ω_gy；

其中，所述方位运动角速度ω_gx、俯仰运动角速度ω_gy由安装于稳定平台的陀螺测量得出；

步骤2：计算稳定平台的稳定控制指令；

方位运动角速度ω_gx输入稳定平台的控制器，通过稳定平台的控制器的传递函数G_A(s)进行转换处理，得出方位向控制指令；同理，得出俯仰向控制指令；

传递函数G_A(s)包括：比例积分控制器、超前校正网络、低通滤波器，比例控制器、积分控制器、超前校正网络、低通滤波器的参数根据传递函数和离散方程求解；

传递函数G_A(s)如下式(1)所示：

其中，K为比例积分控制器的比例系数，ω₁为比例积分控制器的转折频率；ω₂和ω₃为超前校正网络的转折频率；ω₄为低通滤波器的截止频率；

由s域到z域采用双线性变换离散方法如式(2)所示：

其中：T是离散化采样周期；

步骤3：根据上述步骤2计算出的方位向控制指令、俯仰向控制指令驱动电机运动，从而抵消稳定平台的方位运动角速度和俯仰运动角速度，从而达到光电系统的初级稳定；

步骤4：稳定平台初级稳定后，通过陀螺获取光电系统方位向稳定的残余误差信号ω_cx及俯仰向稳定的残余误差信号ω_cy；

步骤5：根据残余误差信号，对快速反射镜第一控制指令G_C1进行计算；

将陀螺测得的方位向稳定的残余误差信号ω_cx及俯仰向稳定的残余误差信号ω_cy进行积分，转换为角位置信号，同时对快速反射镜以及陀螺进行参数匹配；

获得快速反射镜第一控制指令G_C1的方位向控制指令G_C1X和俯仰向控制指令G_C1Y为：

其中，K_P、K_g分别为快速反射镜以及陀螺的标度因子；

步骤6：获取参考光束相对于光轴的运动偏差；

激光发射装置与陀螺牢固安装在一起；激光光束从物方射入光学系统，设光学零件的运动引起的光轴的方位运动角度和俯仰运动角度分别为α和β，激光经分光镜分光后射入由镜头和位置敏感探测器(PSD，Position Sensitive Detector)组成的检测模块，位置敏感探测器位于镜头的焦平面上，镜头焦距为f_psd，位置敏感探测器探测到参考光束的方位向、俯仰向位移量分别为D_x、D_y；

步骤7：根据位置敏感探测器探测到的参考光束的方位向、俯仰向位移量D_x、D_y对快速反射镜第二控制指令G_C2进行计算；

根据步骤6中描述可知D_x＝αf_psd，D_Y＝βf_psd，计算出光学元件运动引起的参考光束方位向运动量为α＝D_X/f_psd，俯仰向运动量为β＝D_Y/f_psd；则根据反射镜运动学原理，快速反射镜第二控制指令G_C2的方位向控制指令G_C2X和俯仰向控制指令G_C2Y为：

G_C2X＝-D_X/2f_psd

步骤8：根据快速反射镜第一控制指令G_C2及快速反射镜第二控制指令G_C2获得快速反射镜最终控制指令G_C2的方位向控制指令G_CX和俯仰向控制指令G_CY，并将快速反射镜最终控制指G_C2的方位向控制指令G_CX和俯仰向控制指令G_CY输入快速反射镜；其中：

驱动快速反射镜实现补偿运动，从而实现高精度稳定。

实施例1

本实施例提供一种基于参考光的高精度的瞄准线稳定方法，该方法在二级稳定系统中增加参光光束稳定回路，对光学系统中元件相互运动进行测量，并通过快速反射镜进行补偿，从而实现高精度的稳定。

具体操作步骤如下：

步骤1：获取光电系统当前由于外界扰动所产生的方位运动、俯仰运动的角速度ω_gx、ω_gy。

ω_gx、ω_gy由安装于稳定平台的陀螺测量得出。

步骤2：计算稳定平台稳定控制指令

方位角速度ω_gy输入稳定平台的控制器，通过控制器的传递函数G_A(s)的转换、处理，即得出方位向的控制指令，同理，可得出俯仰向控制指令。

传递函数G_A(s)的组成一般由比例控制器、积分控制器、超前校正网络、低通滤波器等数字化网络组成，数字式比例控制器、积分控制器、超前校正网络、低通滤波器的参数可根据传递函数和离散方程求解，传递函数G_A(s)如下式(1)所示：

其中，K为比例积分控制器的比例系数，ω₁为比例积分控制器的转折频率；ω₂和ω₃为超前校正网络的转折频率；ω₄为低通滤波器的截止频率。

由s域到z域采用双线性变换离散方法如式(2)所示：

其中：T是离散化采样周期(T_釆)。

本优选实施例中通过对传递函数G中参数的优化，方位(水平)方向：K＝3000，ω₁＝7Hz，ω₂＝12Hz，ω₃＝85Hz，ω₄＝200Hz；俯仰(垂直)方向：K＝2500，ω₁＝7Hz，ω₂＝15Hz，ω₃＝80Hz，ω₄＝200Hz；数字化采样周期T_釆＝0.005s。

步骤3：使用上述计算出的方位、俯仰控制指令驱动电机运动，从而抵消稳定平台的运动角速度，从而达到光电系统的初级稳定。

步骤4：稳定平台初级稳定后，通过陀螺获取光电系统方位向稳定的残余误差信号ω_cx及俯仰向稳定的残余误差信号ω_cy；

步骤5：根据残余误差信号，对快速反射镜第一控制指令G_C1进行计算；

将陀螺测得的方位向稳定的残余误差信号ω_cx及俯仰向稳定的残余误差信号ω_cy进行积分，转换为角位置信号，同时对快速反射镜以及陀螺进行参数匹配；

获得快速反射镜第一控制指令G_C1的方位向控制指令G_C1X和俯仰向控制指令G_C1Y为：

其中，K_P、K_g分别为快速反射镜以及陀螺的标度因子；

在实例中，K_P＝30000，K_g＝18118。故快速反射镜控制指令：

步骤6：获取参考光束相对于光轴的运动偏差。

激光发射装置与陀螺牢固安装在一起。激光光束从物方射入光学系统，设光学零件的运动引起的光轴方位角度、俯仰运动角度分别为α、β，激光经分光镜分光后射入由镜头和位置敏感探测器(PSD，Position Sensitive Detector)组成的检测模块，位置敏感探测器位于镜头的焦平面上，镜头焦距为f_psd，位置敏感探测器可探测到参考光束方位向、俯仰向位移量分别为D_x、D_y；

步骤7：根据位置敏感探测器探测到的参考光束的方位向、俯仰向位移量D_x、D_y对快速反射镜第二控制指令G_C2进行计算；

根据步骤6中描述可知D_x＝αf_psd，D_Y＝βf_psd,可以计算出光学元件运动引起的参考光束方位向运动量为α＝D_X/f_psd，俯仰向运动量为β＝D_Y/f_psd。在实例中，f_psd＝60mm，则快速反射镜第二控制指令G_C2的方位向控制指令G_C2X和俯仰向控制指令G_C2Y为：

G_C2X＝-D_X/2f_psd

步骤8：根据快速反射镜第一控制指令G_C2及快速反射镜第二控制指令G_C2获得快速反射镜最终控制指令G_C2的方位向控制指令G_CX和俯仰向控制指令G_CY，并将快速反射镜最终控制指G_C2的方位向控制指令G_CX和俯仰向控制指令G_CY输入快速反射镜；其中：

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种基于参考光的瞄准线高精度稳定方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

步骤1：获取光电系统当前由于外界扰动所产生的方位运动角速度ω_gx、俯仰运动角速度ω_gy；

其中，所述方位运动角速度ω_gx、俯仰运动角速度ω_gy由安装于稳定平台的陀螺测量得出；

步骤2：计算稳定平台的稳定控制指令；

方位运动角速度ω_gx输入稳定平台的控制器，通过稳定平台的控制器的传递函数G_A(s)进行转换处理，得出方位向控制指令；同理，得出俯仰向控制指令；

传递函数G_A(s)包括：比例积分控制器、超前校正网络、低通滤波器，比例积分控制器、超前校正网络、低通滤波器的参数根据传递函数和离散方程求解；

传递函数G_A(s)如下式(1)所示：

其中，K为比例积分控制器的比例系数，ω₁为比例积分控制器的转折频率；ω₂和ω₃为超前校正网络的转折频率；ω₄为低通滤波器的截止频率；

由s域到z域采用双线性变换离散方法如式(2)所示：

其中：T是离散化采样周期；

步骤3：根据上述步骤2计算出的方位向控制指令、俯仰向控制指令驱动电机运动，从而抵消稳定平台的方位运动角速度和俯仰运动角速度，从而达到光电系统的初级稳定；

步骤4：稳定平台初级稳定后，通过陀螺获取光电系统方位向稳定的残余误差信号ω_cx及俯仰向稳定的残余误差信号ω_cy；

步骤5：根据残余误差信号，对快速反射镜第一控制指令G_C1进行计算；

将陀螺测得的方位向稳定的残余误差信号ω_cx及俯仰向稳定的残余误差信号ω_cy进行积分，转换为角位置信号，同时对快速反射镜以及陀螺进行参数匹配；

获得快速反射镜第一控制指令G_C1的方位向控制指令G_C1X和俯仰向控制指令G_C1Y为：

其中，K_P、K_g分别为快速反射镜以及陀螺的标度因子；

步骤6：获取参考光束相对于光轴的运动偏差；

激光发射装置与陀螺牢固安装在一起；激光光束从物方射入光学系统，设光学零件的运动引起的光轴的方位运动角度和俯仰运动角度分别为α和β，激光经分光镜分光后射入由镜头和位置敏感探测器组成的检测模块，位置敏感探测器位于镜头的焦平面上，镜头焦距为f_psd，位置敏感探测器探测到参考光束的方位向、俯仰向位移量分别为D_x、D_y；

步骤7：根据位置敏感探测器探测到的参考光束的方位向、俯仰向位移量D_x、D_y对快速反射镜第二控制指令G_C2进行计算；

根据步骤6中描述可知D_x＝αf_psd，D_Y＝βf_psd，计算出光学元件运动引起的参考光束方位向运动量为α＝D_X/f_psd，俯仰向运动量为β＝D_Y/f_psd；则根据反射镜运动学原理，快速反射镜第二控制指令G_C2的方位向控制指令G_C2X和俯仰向控制指令G_C2Y为：

G_C2X＝-D_X/2f_psd

步骤8：根据快速反射镜第一控制指令G_C2及快速反射镜第二控制指令G_C2获得快速反射镜最终控制指令G_C2的方位向控制指令G_CX和俯仰向控制指令G_CY，并将快速反射镜最终控制指G_C2的方位向控制指令G_CX和俯仰向控制指令G_CY输入快速反射镜；其中：

驱动快速反射镜实现补偿运动，从而实现高精度稳定。

Images